1、電子封裝材料與工藝Electronic Packaging Materials 等離子體增強CVD（PECVD）.,第1章 集成電路芯片的發(fā)展和制造,1.4 集成電路（IC）芯片的制造 1.4.6 金屬化 在芯片表面上電路元器件部件與鍵合焊盤之間沉積導(dǎo)電材料，形成互連引線，稱為金屬化工藝。 鋁、鋁合金、鉑、鈦、鎢、鉬、金可用于金屬化工藝。 鋁是最常用的金屬化材料，與Si和SiO2可以很好的粘附（低接觸電阻），容易真空沉積（沸點低），導(dǎo)電率高，容易通過光刻工藝布圖。 真空沉積和濺射是沉積鋁金屬化層的方法。 問題：Al-Si共晶合金。解決辦法：TiW阻擋層；將1的Si加入Al中。,第1章 集成電路

2、芯片的發(fā)展和制造,1.4 集成電路（IC）芯片的制造 1.4.7 鈍化 在芯片金屬化后，為防止鋁互連電路受到水汽和污染的侵蝕，通過氣相沉積在芯片電路上形成二氧化硅或氮化硅絕緣層或鈍化層。,第1章 集成電路芯片的發(fā)展和制造,1.4 集成電路（IC）芯片的制造 1.4.8 背面研磨 覆蓋鈍化層后，芯片需要減薄滿足封裝高度要求，晶圓片進行背面研磨,第1章 集成電路芯片的發(fā)展和制造,1.4 集成電路（IC）芯片的制造 1.4.9 背面金屬化 芯片背面要有一層金膜，通過真空蒸發(fā)或濺射沉積，使芯片背面與芯片粘接區(qū)電接觸。,第1章 集成電路芯片的發(fā)展和制造,1.4 集成電路（IC）芯片的制造 1.4.10

3、電性能測試 按照預(yù)先確定的規(guī)范對芯片進行電性能測試。,第1章 集成電路芯片的發(fā)展和制造,1.4 集成電路（IC）芯片的制造 1.4.11 管芯分割 芯片采用兩種方法分割 厚度小于0.25mm的芯片，采用金剛石刀具在晶圓片上劃出細(xì)的切割線，再用剝離膠帶使晶圓片斷裂； 厚度大于0.25mm的芯片，采用剝離膠帶和金剛石圓鋸切割。,第1章 集成電路芯片的發(fā)展和制造,1.4 集成電路（IC）芯片的制造 1.4.12 p-n-p雙極晶體管的典型結(jié)構(gòu),第2章 金屬,2.1 金屬和合金的選擇 選擇金屬材料時，要針對電子電氣工業(yè)中的要求進行權(quán)衡。 判據(jù)： 物理性能； 力學(xué)性能； 可制造性； 經(jīng)濟性；,第2章 金

4、屬,2.2 金屬和合金產(chǎn)品的形式 鑄造金屬產(chǎn)品 加工金屬產(chǎn)品 鑄造金屬形式是通過把熔融的金屬澆入需要的形狀的模具內(nèi)形成，沒有金屬變形發(fā)生。金屬的性能取決于： 鑄造工藝（砂模鑄造、熔模鑄造、壓鑄）； 鑄件致密性； 化學(xué)成分； 熱處理。,第2章 金屬,2.2 金屬和合金產(chǎn)品的形式 鑄造金屬產(chǎn)品的重要性能 致密度孔隙度和非金屬缺陷少； 力學(xué)性能； 晶粒尺寸冷卻速度快則晶粒尺寸小，強度大； 金屬形狀薄壁小鑄件比致密度相同的厚壁大鑄件強度高； 鑄型材料； 鑄造技術(shù)和工藝特殊鑄造工藝的使用，如半固態(tài)金屬加工技術(shù)、金屬注射成形技術(shù)制造Al/SiC和W/Cu,第2章 金屬,2.2 金屬和合金產(chǎn)品的形式 壓力加

5、工金屬產(chǎn)品的重要性能 加工的形式軋制、擠壓、拉拔、鍛造 組織結(jié)構(gòu)晶粒尺寸、晶體取向、致密度、夾雜物尺寸形狀、相 變形條件溫度（冷、熱加工） 強化加工硬化、沉淀強化、相變硬化,第2章 金屬,2.3 金屬和合金產(chǎn)品的性能 2.3.1 力學(xué)性能 常規(guī)力學(xué)性能室溫屈服強度、抗拉強度和延伸率 交變載荷（疲勞）允許的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的抗拉強度，金屬將在低于屈服強度和極限抗拉強度的應(yīng)力水平下失效。 持續(xù)載荷長時間持續(xù)載荷導(dǎo)致低于屈服強度的蠕變和斷裂發(fā)生，在高溫下和室溫下都有發(fā)生。 溫度影響強度隨溫度升高而降低。,第2章 金屬,2.3 金屬和合金產(chǎn)品的性能 2.3.2 物理性能 冷加工導(dǎo)致電導(dǎo)率降低； 熱處理

6、對合金元素和相結(jié)構(gòu)及分布有不同影響 溫度物理性能隨溫度變化逐漸變化。,第2章 金屬,2.3 金屬和合金產(chǎn)品的性能 2.3.3 制造可行性 可成形性深拉 可機械加工性 連接螺栓連接、鉚接、焊接、硬釬焊、軟釬焊 可焊接性焊接開裂、焊縫耐蝕性、焊接接頭脆性 硬釬焊考慮后續(xù)熱處理 軟釬焊,第2章 金屬,2.3 金屬和合金產(chǎn)品的性能 2.3.4 性能比較 屈服強度 零件可承受的 最大應(yīng)力。,第2章 金屬,2.3 金屬和合金產(chǎn)品的性能 2.3.4 性能比較 彈性模量 表征了零件的剛度 比剛度Ti/Mg/Al，鈹?shù)谋葎偠仁浅Ｓ媒Y(jié)構(gòu)材料的612倍。,第2章 金屬,2.3 金屬和合金產(chǎn)品的性能 2.3.4 性能

7、比較 比強度,第2章 金屬,2.3 金屬和合金產(chǎn)品的性能 2.3.4 性能比較 熱導(dǎo)率：Ag/Cu/Au/Al具有高熱導(dǎo)率，合金化會降低熱導(dǎo)率。,第2章 金屬,2.4 鐵基合金 2.4.1 鐵基合金概述 鐵元素含量大于或等于50的合金被稱為鐵基合金。也包含鐵含量低于50但其性能要求和鐵系合金很相似的合金。 分類：,結(jié)構(gòu)用鋼,碳素鋼,合金鋼,高強度 低合金鋼,超高強鋼,軋制 熱處理鋼,特殊用鋼,第2章 金屬,2.4 鐵基合金 2.4.2 常用鐵基合金 碳素鋼和合金鋼 1xxx屬于C為主要合金元素的鋼； 2xxx屬于Ni為主要合金元素的鋼； 不銹鋼和特殊鋼 含有至少11左右Cr的鐵基合金； 磁鋼

8、高磁導(dǎo)率合金、永磁合金、不銹鋼、溫度補償合金,第2章 金屬,2.4 鐵基合金 2.4.3 鐵基合金磁學(xué)性能 高磁導(dǎo)率合金（軟磁合金）在合金內(nèi)磁流密度變化引起的磁滯損失小，在強磁場作用后剩磁低，在高度磁化后并不保留明顯的永久性磁性。 Ni-Fe合金（3080Ni,其余Fe） 80Ni-4Mo-Fe合金、77Ni-1.5Cr-5Cu-Fe合金、49Ni-Fe合金 硅鐵合金（硅鋼片） 鈷鐵合金 永磁合金（硬磁材料） 溫度補償合金,第2章 金屬,2.4 鐵基合金 2.4.4 鐵基合金熱膨脹性能 合金的熱膨脹性能一般用材料的溫度變化引起單位長度的變化來表示； Invar合金（36Ni-Fe）是所有金屬（

9、合金）中熱膨脹系數(shù)最小的。 玻璃金屬封接合金：金屬和玻璃之間的真空氣密結(jié)合。,第2章 金屬,2.4 鐵基合金 2.4.5 鐵基合金加工性能 深拉 焊接 光化學(xué)加工 陶瓷金屬封接合金 彈性合金的不變模量,第2章 金屬,2.4 鐵基合金 2.4.6 鐵基合金電阻性能 大多數(shù)合金的電阻率是隨溫度的升高而增大的。,第2章 金屬,2.5 鋁和鋁合金 2.5.1 鋁合金的一般性能 鋁的電學(xué)性能（純銅的62）； 鋁的熱導(dǎo)率高； 鋁的密度??； 鋁的比強度高； 鋁的耐蝕性高； 鋁的可獲得性； 鋁的機加工； 鋁的連接。,第2章 金屬,2.5 鋁和鋁合金 2.5.2 鋁合金 砂模鑄造、壓鑄、熔模鑄造、金屬型鑄造、石

10、膏模鑄造 電子封裝中使用的鑄造鋁合金 通用鋁合金 A356； 可釬焊鋁合金 A612； 低熱膨脹鋁合金 高Si（1820）； 高強度鋁合金A220。,第2章 金屬,2.6 鈹和鈹合金 2.6.1 鈹合金的一般性能 鈹具有綜合的物理和力學(xué)性能，可作為滿足熱性能和電性能要求的電子封裝材料。 鈹具有高的熱導(dǎo)率，高的熱容，是天然的輕質(zhì)熱沉材料。 Be, BeO ； AlBeMet鈹鋁合金（62Be） 鈹易被氯化物腐蝕，可采用陽極氧化涂層提高耐蝕性。 毒性BeO粉塵對身體有害 Be的耐磨性好，工具磨損厲害。,第2章 金屬,2.7 銅和銅合金 2.7.1 銅合金的一般性能 除銀之外，銅具有最高的電導(dǎo)率；

11、銅的成形性非常好，制造性好； 銅的可焊性好； 銅的表面可進行電鍍精飾； 銅可以加工成各種大小和形狀的產(chǎn)品； 銅的熱導(dǎo)率高，可以作為熱沉材料使用； 銅和銅合金成本相對較低；,第2章 金屬,2.7 銅和銅合金 2.7.2 高導(dǎo)電率銅合金 工業(yè)純銅退火狀態(tài)下，100IACS(國際退火銅標(biāo)準(zhǔn)) 370產(chǎn)生氫脆，金屬內(nèi)的氧與氫氣結(jié)合，不適合于釬焊場合，P脫氧Cu可制備無氧銅。 含銀銅銅中加入少量銀的高導(dǎo)銅。100電導(dǎo)率，具有耐蠕變能力和高溫抗軟化能力，可在343進行充分退火。 銅鋯合金0.15%Zr，改善高溫性能，稍微降低電導(dǎo)率； 銅碲合金90IACS，力學(xué)性能大幅度提高； 銅硫合金96IACS，力學(xué)性

12、能大幅度提高。,第2章 金屬,2.7 銅和銅合金 2.7.3 黃銅（Cu-Zn合金） 隨鋅含量增加（30），抗拉強度增加； 隨鋅含量增加，電導(dǎo)率增加，熱導(dǎo)率降低； 隨鋅含量增加，韌性增加； 加入鉛改善機加工性能，0.5%4.5%。,第2章 金屬,2.7 銅和銅合金 2.7.4 磷青銅（Cu-111Sn0.04%0.35%P合金） 彈簧用 2.7.5 鈹銅 綜合高強度和高電導(dǎo)率（1380MPa）,第2章 金屬,2.8 鎂和鎂合金 是目前可用的金屬結(jié)構(gòu)材料中密度最小的。 可獲得鑄件、片材、板材、棒材、鍛件、型材。 鎂合金鑄件 鎂合金成形難成形著稱 連接鉚接、熔焊、硬釬焊,第2章 金屬,2.9 鎳和

13、鎳合金 高強度、高耐蝕性和高韌性 電導(dǎo)率高 磁致伸縮性能 Ni-Cu (Monel合金)彈簧材料使用 各種形式（薄片到細(xì)絲） 加工性好加工、連接、硬釬焊 合金化具備不同磁性能和電性能 不同力學(xué)性能,第2章 金屬,2.10 鈦和鈦合金 極好的耐蝕性，適中的密度和良好的強度； 可在315下使用，超過其它金屬； 電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率低； Ti（HCP)、Ti(BCC)、Ti型鈦合金。 高的力學(xué)性能（室溫1034MPa) 耐蝕性使用在化工領(lǐng)域 加工形式片材、板材、棒材、鍛件、型材 連接鎢基惰性氣體保護電弧焊,第2章 金屬,2.11 高密度金屬 鉛、鎢、貧化鈾 鉛和鉛合金（11.35）配重首選材料 燒結(jié)鎢（1

14、7） 貧化鈾（18.5）,第2章 金屬,2.12 難熔金屬 鎢、鉬、鉭、鈮 極好的耐酸性 1000高溫下使用 鎢、鉬熱膨脹率低，可以與玻璃和陶瓷一起使用,第2章 金屬,2.13 貴金屬 相當(dāng)普遍的使用的電子設(shè)備上，用作表面材料 抗干擾電學(xué)性能和光學(xué)性能，使用金、銠、鉑 銀是金屬中電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率最高的金屬，作為各種引線和電觸電上的鍍層； 金用來防止腐蝕，并提供低的電接觸表面； 銠具有很高的反射率，低的表面電阻、高的硬度和耐腐蝕性，適合作為電接觸表面和反射鏡面。,第3章 軟釬焊材料和技術(shù),3.1 電子封裝和組裝簡介 釬料是所有三極連接（芯片、封裝和板級組裝）和互連材料。 錫/鉛釬料作為表面涂層用于

15、元器件引線和表面鍍層。 實現(xiàn)金屬表面的電、熱和機械連接 表面組裝技術(shù)可開發(fā)更高級的電路板組件，在金屬化的基板上將片式電阻、電容和半導(dǎo)體裸芯片互連，所有的元件和器件放置在印刷電路板表面上進行板級組裝而不是插入電路板。,第3章 軟釬焊材料和技術(shù),3.1 電子封裝和組裝簡介 表面組裝的優(yōu)點： 提高了電路密度； 縮小了元器件的尺寸； 縮小了電路板的尺寸； 減輕了質(zhì)量； 縮短了引線； 改善了電性能； 適應(yīng)自動化生產(chǎn)； 降低了大規(guī)模生產(chǎn)的成本,第3章 軟釬焊材料和技術(shù),3.2 軟釬料合金 液相線溫度低于400的可熔融合金。 軟釬料合金常用的元素：錫、鉛、銀、鉍、銦、銻、鎘 Sn Pb Ag Bi In S

16、b Cd 232 328 961 271.5 156.6 630.5 321.2 軟釬料合金可提供的形式： 棒、錠、絲、粉末、成形片、焊球、焊柱、焊膏 選擇原則 合金熔化溫度、合金力學(xué)性能、冶金相容性、環(huán)境相容性、特定基板上潤濕能力、成分共晶還是非共晶,第3章 軟釬焊材料和技術(shù),3.2 軟釬料合金 Sn-Pb釬料合金成分和熔化范圍 70Sn/30Pb 183-193 63Sn/37Pb 183-183等共28種 軟釬料粉化學(xué)還原法、電解沉積法、固體顆粒機械加工法、液相合金霧化法 力學(xué)性能應(yīng)力/應(yīng)變行為、抗蠕變性能、抗疲勞性能 軟釬料在電子封裝中經(jīng)歷低周疲勞（低于10000次）,第3章 軟釬焊材

17、料和技術(shù),3.3 焊膏 由釬料合金粉末、釬劑和載體的均勻、動態(tài)穩(wěn)定的混合物，在一系列軟釬焊條件下形成冶金結(jié)合并適應(yīng)自動化生產(chǎn)得到可靠和一致性的焊點。 釬劑用來清潔合金粉末和待焊基底，來得到高可靠的金屬連續(xù)性和形成良好的潤濕性； 載體是承載合金粉末，獲得需要的流變性 物理形貌、穩(wěn)定性和保存期、黏度、冷塌度、通過細(xì)針頭的可滴涂性、粘附時間、曝露壽命、質(zhì)量和一致性、與待焊表面相容性、熔融前的流動性、潤濕性、焊珠、毛細(xì)現(xiàn)象、殘留物的可清潔性、焊點外觀、焊點孔洞,第3章 軟釬焊材料和技術(shù),3.4 釬劑和助焊 確保待焊表面的“清潔”必須在軟釬焊過程中一直保持，這種清潔過程稱為助焊，使用的材料稱為釬劑或助焊

18、劑。 松香基釬劑、水溶性釬劑和免清洗釬劑 釬劑可以配入焊膏或焊絲中，也可以作為獨立的化學(xué)物質(zhì)直接施加在元件和焊膏上。,第3章 軟釬焊材料和技術(shù),3.5 軟釬焊方法 工業(yè)使用的方法： 傳導(dǎo)、紅外、汽相、熱氣體、對流、感應(yīng)、電阻、激光等。 局部加熱：激光； 溫度均勻：汽相； 品種、產(chǎn)量和經(jīng)濟性：對流、紅外 混合電路組件：傳導(dǎo),第3章 軟釬焊材料和技術(shù),3.6 無鉛釬料 美國立法對鉛釬料進行限制，低于0.1%； 日本2003年完全停止使用無鉛釬料； 歐洲RoHS指令禁止使用鉛、汞、鎘、六價鉻 設(shè)計原則： 以Sn為基礎(chǔ)，合金元素有與Sn形成合金的能力； 與Sn合金化時，降低合金熔點,第3章 軟釬焊材料

19、和技術(shù),3.6 無鉛釬料 合金體系的選擇： Sn/Ag/Bi Sn/Ag/Cu Sn/Ag/Cu/Bi Sn/Ag/Bi/In Sn/Ag/Cu/In Sn/Cu/In/Ga,第3章 軟釬焊材料和技術(shù),3.6 無鉛釬料 合金成分的選擇 Sn-3.03.5Ag/0.51.5Cu/4.08.0In Sn-3.03.5Ag/1.03.0Bi/0.50.7Cu Sn-3.33.5Ag/1.03.0Bi/1.74.0In Sn-0.50.7Cu/5.06.0In/0.40.6Ga Sn-3.03.5Ag/0.51.5Cu Sn-3.03.5Ag/1.04.8Bi 99.3Sn/0.7Cu 96.5Sn/

20、3.5Ag,第4章 微電路與多芯片模塊的材料與工藝,混合微電子電路的基礎(chǔ)是由某種耐熔陶瓷制造的基板。 在基板上，通過膜技術(shù)制作金屬化圖形形成安裝焊盤和電路布線，并用來鍵合和互連必要的有源器件和無源器件。 多芯片模塊采用了更廣泛的基板材料和金屬化工藝，從而得到更高的封裝密度。,聚合物 金屬陶瓷,濺射 蒸發(fā),釬焊 電鍍銅,第4章 微電路與多芯片模塊的材料與工藝,4.1混合電路用陶瓷基板 基板是一個電路的基礎(chǔ)，起著元器件安裝平臺的作用，必須與基板金屬化工藝以及元器件與金屬化布線附接工藝兼容。 基板的性能要求： 高電阻率?；灞仨毦哂泻芨叩碾娮杪矢綦x相鄰的電路； 高熱導(dǎo)率。使正常工作的電子元器件產(chǎn)生的

21、熱傳導(dǎo)出去； 耐高溫?；褰饘倩驮骷M裝在高溫下進行； 耐化學(xué)腐蝕。抵抗熔劑、焊劑的侵蝕； 成本。成本與最終產(chǎn)品成本相適應(yīng)。,第4章 微電路與多芯片模塊的材料與工藝,4.1混合電路用陶瓷基板 陶瓷本質(zhì)是帶有非常少自由電子的晶體，具有很高的電阻，熱學(xué)和化學(xué)性能穩(wěn)定，并具有很高的熔點，非常適用很多微電子系統(tǒng)。 陶瓷常與金屬結(jié)合在一起形成復(fù)合材料用于熱管理。金屬陶瓷（cermet）復(fù)合材料具有低的熱膨脹系數(shù)和比陶瓷更高的熱導(dǎo)率，韌性更好，更抗應(yīng)力。,第4章 微電路與多芯片模塊的材料與工藝,4.2 陶瓷的熱性能 熔點 SiC: 2700; BeO:2570 ; BN:2732 ; Al2O3:20

22、00; AlN:2232 ,第4章 微電路與多芯片模塊的材料與工藝,4.2陶瓷的熱性能 熱導(dǎo)率材料載熱能力的度量 q=-kdT/dx k熱導(dǎo)率 W/(mK); q熱流量 W/m2;dT/dx穩(wěn)態(tài)溫度梯度； 比熱容每克物質(zhì)每升高1K所需要的熱量 c=dQ/dT,第4章 微電路與多芯片模塊的材料與工藝,4.2陶瓷的熱性能 熱膨脹系數(shù)（TCE)溫度增加原子間距部對稱引起的。金屬和陶瓷在有意義的范圍內(nèi)顯示一種線性的各向同性關(guān)系。 =L(T2)-L(T1) / L(T1)(T2-T1) ppm/K-1,第4章 微電路與多芯片模塊的材料與工藝,4.3 陶瓷基板的力學(xué)性能,第4章 微電路與多芯片模塊的材料與

23、工藝,4.3 陶瓷基板的力學(xué)性能 硬度努氏（Knoop）硬度 金剛石：HK7000; BeO:HK1200; Al2O3:HK2100; BN:HK5000; AlN:HK1200; SiC:HK2500,第4章 微電路與多芯片模塊的材料與工藝,4.3 陶瓷基板的電學(xué)性能 電阻率（倒數(shù)電導(dǎo)率） 陶瓷基板電導(dǎo)率很低，由于存在雜質(zhì)和晶體缺陷不同，電導(dǎo)率的變化很大； 擊穿電壓陶瓷在正常情況下是好的絕緣體，但是在施加高的電位時，可產(chǎn)生足夠的能量將電子從軌道中激發(fā)出去，同時又把其他電子從軌道中激發(fā)，產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，陶瓷的絕緣性被破壞，電流可以流動。 局部功率耗散或環(huán)境溫度高，陶瓷表面潤濕的高濕度條件下，伴

24、有表面污染時，擊穿電壓比本征值低很多。,第4章 微電路與多芯片模塊的材料與工藝,4.4 典型陶瓷基板材料 氧化鋁 目前電子工業(yè)最常用的基板材料，在力、熱、電性能上具有綜合性能好的特點。原料豐富，價格低，適合用于不同形狀。 密排六方剛玉結(jié)構(gòu)，在1925還原氣氛中穩(wěn)定。 高溫共燒陶瓷用W,Mo/Mn作為導(dǎo)體在1600 燒結(jié)層壓； 低溫共燒陶瓷用Au,Pa/Ag作為導(dǎo)體在850 燒結(jié)層壓；,第4章 微電路與多芯片模塊的材料與工藝,4.4 典型陶瓷基板材料 氧化鈹 具有極高的熱導(dǎo)率，比金屬鋁還高，熱導(dǎo)率在300 以上迅速降低，適用較低溫度熱沉； 密排立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)，在干燥氣氛2050穩(wěn)定。在1100

25、水解，在高溫下和石墨反應(yīng)生成碳化鈹； BeO通過鍵合銅的工藝實現(xiàn)金屬化。 可以加工成任何形狀，但粉塵有毒。,第4章 微電路與多芯片模塊的材料與工藝,4.4 典型陶瓷基板材料 氮化鋁 把AlN粉末合助燒劑CaO，Y2O3以及有機粘接劑混合，流延成需要的形狀，然后致密化燒結(jié)，必須在干燥的還原氣氛下燒結(jié)。 高的熱導(dǎo)率，并且與硅的TCE匹配 采用銅金屬化工藝。,第4章 微電路與多芯片模塊的材料與工藝,4.4 典型陶瓷基板材料 金剛石 采用化學(xué)氣相沉積（CVD）生長。直接作為涂層沉積在難熔金屬、氧化物、氮化物上，具有非常高的熱導(dǎo)率，主要用于功率器件的封裝。但其比熱容較低，作為散熱片與熱沉材料一起工作效果較好。,第4章 微電路與多芯片模塊的材料與工藝,4.4 典型陶瓷基板材料 氮化硼 具有明顯的各向異性，在熱壓的BN法線方向熱導(dǎo)率很高，TCE很低，可作為基板材料使用。 目前無法實現(xiàn)金屬化。,第4章 微電路與多芯片模塊的材料與工藝,4.4 典型陶瓷基板材料 碳化硅 可以采用熱壓、干壓、等靜壓、CVD、流延法制備基片材料。 屬于半導(dǎo)體，具有極高的熱導(dǎo)率合很低的TCE，與硅的匹配好，比BeO合